声光控电路的设计

题目：声光控电路的设计

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时间：2012-3-19——2012-5-13

目录：

一：实训要求 (2)

1.设计题目： (3)

2.设计目的： (3)

3.设计任务： (3)

4.设计思路： (3)

二：论文部分 (4)

1. 概述： (4)

1. Summary: (4)

2.关键字 (4)

2. The key word (5)

3 软件简介 (5)

3.1 Protel的简介 (5)

3.2 Protel99 SE的划分 (6)

3.3 Protel99 SE的功能 (6)

4电路中用到的新元器件 (6)

4.1 驻极体麦克风 (6)

4.1.1 组成及工作原理： (6)

4.1.2 驻极体话筒与电路的接法： (7)

4.2光敏电阻 (8)

4.2.1 组成 (8)

4.2.2 作用 (8)

4.2.3 主要参数与特性 (8)

4.3 51单片机 (9)

4.3.1 51单片机简介 (9)

4.3.2 主要功能 (10)

5声光控节能灯电路的组成 (10)

5.1电源电路 (10)

5.2继电器驱动 (11)

5.3声控电路 (12)

5.4光控电路 (14)

5.5 单片机控制电路 (15)

5.6 原理总图 (15)

6参数计算 (16)

6.1电源电路 (16)

6.2继电器驱动电路 (17)

6.3声控电路 (17)

6.4光控电路 (18)

8总结和展望 (19)

9 参考文献 (20)

10 附件

一：实训要求

1.设计题目：

声光控电路的设计

2.设计目的：

通过声音和光线强度来达到电路开关的自由控制，节约能量的同时节省了人力物力，方便人们日常生活。

3.设计任务：

掌握protel软件、了解设计一个电路的步骤更多与专业相关的知识、完成声光控电路的设计的所有步骤，设计出完整的可以投入生产的电路。根据原理设计出相应的电路图，利用protel完成电路图的设计和绘制，并生成网表，最后完成PCB布局布线

4.设计思路：

在选择好主要器件包括驻极体麦克风、光敏电阻、51单片机的基础上通过更多器件的相互作用来实现声光控电路的功能。并利用protel软件实现电路的绘制、布局布线、仿真等设计要求。

二：论文部分

1. 概述：

利用protel软件对声光控电路的设计进行设计和pcb版图设计同时进行仿真。在protel软件中需完成的工作有：声光控电路的绘制、电路的检错纠错、生成网表、电路元器件封装的填写和绘制、在导入pcb前的检验、pcb板的设计、pcb版的布线、电路的仿真、导出pcb版图和电路图。在所设计的声光控总电路分为以下五个模块分别为：电源电路，光控电路，声控电路，单片机控制电路，继电器驱动电路。而我们根据在电路的设计和protel中的实践来实现声光控电路的要求。利用的：。在利用51单片机是需导入事先设计好的编程程序。进而帮助电路实现相应功能。

1. Summary:

Use of the acoustic protel software control circuit design of design and PCB layout design and simulation. In the software of protel work to finish are: electric circuit, draw the sound of a review of the circuit fault, and the formation of nets table, error correction circuit components encapsulates the fill in and draw in the load, the inspection before PCB, PCB design, PCB version of wiring, circuit simulation, export PCB layout and circuit diagram. In the control circuit design sound always divided into the following five modules for: power supply circuit, control circuit, sonic circuits, single-chip microcomputer control circuit, drive circuit relay. And we in the circuit design and according to the practice of the sound to realize protel electric circuit requirements. The main components of a body in a microphone, photoconductive resistance, 51 SCM. In the use of 51 SCM is need to import designed good programming procedures. Then to help achieve circuit function.

2.关键字

protel软件、pcb版图设计、51单片机、驻极体麦克风、光敏电阻

2. The key word

Protel software, PCB layout design, 51 SCM, in a body microphone, photoconductive resistance

3 软件简介

3.1 Protel的简介

Protel99 SE是Protel公司近几年来致力于Windows平台开发的拳头产品。它能实现电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。今天的Protel99 SE软件已不是单纯的PCB（印刷电路板）设计工具，而是一个系统工具。它覆盖了以PCB为核心的全部物理设计。

新版本的Protel99 SE软件可以毫无障碍的打开Orcad、Pads、Accel（PCAD）等知名EDA格式的设计文件，以便用户顺利过渡到新的EDA平台。

Protel99 SE E是ProklTechnology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，仍然是大中专院校电学专业必学课程，同时也是业界人士首选的电路板设计工具。

Protel99 SE由两大部分组成：电路原理图设计（Advanced Schematic）和多层印刷电路板设计（Advanced PCB）。其中Advanced Schematic由两部分组成：电路图编辑器（Schematic）和元件库编辑器（Schematic Library）。

虽然Protel99 SE本身包含了庞大的元件库，但在实际应用中总会遇到找不到元件的情况，这时

就需要根据元件资料自己动手在元件库中制作这个元件。还有一种情况是各种元件分散在各

个公司的元件库中，不便与使用，所以要把常用元件集中到一个元件库中，这就要自己动手制作，将经常用到的元件复制到这个元件库中，方便以后的使用。

3.2 Protel99 SE的划分

Protel99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。

3.3 Protel99 SE的功能

Protel99 SE软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：

（1）原理布图

（2）PCB自动或人工布线

（3）SPICE电路仿真

革命性的特点：

（1）互动的电路仿真

用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

（2）仿真处理器及其外围电路

可以仿真51系列、A VR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型

4电路中用到的新元器件

4.1 驻极体麦克风

4.1.1 组成及工作原理：

驻极体麦克风由声电转换和阻抗变换两部分组成。声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端

的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。因而它的输出阻抗值很高(Xc＝1／2~tfc)，约几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。普通场效应管有源极(S)、栅极(G)和漏极(D)三个极。这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管。接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。场效应管的栅极接金属极板。这样，驻极体话筒的输出线便有三根。即源极S，一般用蓝色塑线，漏极D，一般用红色塑料线和连接金属外壳的编织屏蔽线。

4.1.2 驻极体话筒与电路的接法：

驻极体话筒与电路的接法有两种：源极输出与漏极输出。源极输出类似晶体三极管的射极输出。需用三根引出线。漏极D接电源正极。源极S与地之间接一电阻Rs来提供源极电压，信号由源极经电容C输出。编织线接地起屏蔽作用。源极输出的输出阻抗小于2k，电路比较稳定，动态范围大。但输出信号比漏极输出小。漏极输出类似晶体三极管的共发射极放入。只需两根引出线。漏极D与电源正极间接一漏极电阻RD，信号由漏极D经电容C输出。源极S与编织线一起接地。漏极输出有电压增益，因而话筒灵敏度比源极输出时要高，但电路动态范围略小。

Rs和RD的大小要根据电源电压大小来决定。一般可在2．2～5．1k 间选用。例如电源电压为6V时，Rs为4．7k，RD为2。2k。图3输出电路中，若电源为正极接地时，只须将D、S对换一下，仍可成为源、漏极输出。一声控电路前置放大级中驻极体话筒的源极输出和漏极输出的两种不同的接法，最后要说明一点，不管是源极输出或漏极输出，驻极体话筒必须提供直流电压才能工作，因为它内部装有场效应管。

4.2光敏电阻

4.2.1 组成

光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

4.2.2 作用

光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。

4.2.3 主要参数与特性

根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：

紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。

红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。

光敏电阻的主要参数是：

（1）光电流、亮电阻。

（2）暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。3）灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光

照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。

（4）光谱响应。光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。

（5）光照特性。光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非线性。

（6）伏安特性曲线。伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。

（7）温度系数。光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。

（8）额定功率。额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低。

4.3 51单片机

4.3.1 51单片机简介

51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机。后来随着Flash Rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机即是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。

当前常用的51系列单片机主要产品有：

*Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；

*ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等；

*Philips、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的许多产品

目前，国产宏晶STC单片机以其低功耗、廉价、稳定性能，占据着国内51单片机较大市场。

4.3.2 主要功能

8位CPU·4kbytes 程序存储器(ROM) (52为8K)

·256bytes的数据存储器(RAM) （52有384bytes的RAM）

·32条I/O口线·111条指令，大部分为单字节指令

·21个专用寄存器

·2个可编程定时/计数器·5个中断源，2个优先级（52有6个）一个全双工串行通信口

·外部数据存储器寻址空间为64kB

·外部程序存储器寻址空间为64kB

·逻辑操作位寻址功能·双列直插40PinDIP封装

·单一+5V电源供电

CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；

RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；

ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格；

I/O口：四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出；

T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；

五个中断源的中断控制系统；

一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；

片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为12M。

5声光控节能灯电路的组成

下面将总电路分为以下五个模块：电源电路，光控电路，声控电路，单片机控制电路，继电器驱动电路。

5.1电源电路

V双电源和+5V单电源的两级电路。如图所示：本课程设计使用的是12

TR1

TRA

f

图3.1 直流电源电路

电源电路由变压，整流，滤波，稳压四部分构成。

电源电路由变压，整流，滤波，稳压四部分构成。变压电路由普通的电源变压器组成，将220V的交流电转换成低压交流电；整流电路由一个桥式整流组成，将低压交流电转换成脉动直流电；滤波电路由滤波电容C1构成，滤除交流成分，增加直流成分；稳压电路主要由7912集成稳压器，输入端和输出端电容C3构成，集成稳压器利用负反馈进一步稳定经过滤波后的电压，输出端电容用以改善负载的瞬态效应，消除电路的高频噪声，同时具有消振的作用；

5.2继电器驱动

将开关电路的负载改为继电器，即变成继电器驱动电路。如图所示：

MP

图3.5继电器驱动及照明电路

运放同相输入端与单片机P1.7口相连，电压跟随器将微弱的单片机I0口输出电流放大，提高带负载能力，使电流能够驱动三极管，但为防止电流过大烧坏三极管，因此加上限流电阻R13，从而通过三极管的开关作用来驱动继电器。

当开关的负载为电动机或者继电器等感性负载时，在截断流过负载的电流时（晶体管进入截止状态时），会产生感应电动势（楞次定律）。这时产生的电压非

常大。当这种电压超过晶体管的

,

CBO CEO

V V时，晶体管将会被击穿。因此给继电器

并上一个二极管，将集电极的电位钳制在(0.5)

CC

V V

左右，防止三极管被击穿。

5.3声控电路

光控电路由拾音电路，两级放大电路和迟滞比较器构成，如图所示：

NER1

图3.2 声控电路

拾音电路将声音转换成微弱的电压信号。然后，微弱的电压信号经过两级放大成伏级的电压，电压通过迟滞比较器转变成单片机识别的方波信号,经过双向稳压管变成5±V 的方波，然后传给单片机的外部中断P3.4口。

拾音电路由小型麦克和限流电阻组成，自制5V 电源向其提供驱动电流；两级放大电路由两级共射单管放大组成，前级是NPN 管，后级是PNP 管；迟滞比较器的正向阈值电压为： 10111210

11121112

th REF Z R R R R V V V R R R R +++=

+++

负向阈值电压为： 10111210

11121112

th REF Z R R R R V V V R R R R -++=-++

由图而知，

0REF V V

=，故：

10

1112

th Z R V V R R +=

+

10

1112

th Z R V V R R -=-

+

（式3.2）

可以通过阈值电压的设置来消除两级放大的噪声，防止噪声对产生方波信号的干扰，从而消除噪声对单片机的干扰，增强对有用信号的识别。

电阻11200R K =,非常大，延长电容放电时间。

5.4光控电路

由光敏电阻，滑动变阻器，电阻，NPN 三极管及运算放大器LM358组成，如下图所示：

图3.3光控电路

当光敏电阻受光照时，电阻减小，运放同向输入端为低电平；当光照较弱时，电阻增加，运放同向输入端为高电平。光控电路的输出信号经过电压跟随器后，将比较微弱的电流信号放大到单片机能够识别的电流，然后由运放输出端将放大后的信号传给单片机的P1.6口。

电路图中的集电极电阻R16作为限流电阻，保护三极管；调节变阻器R15

能够改变基极电流b i

，从而控制发射结和集电极电流，进而控制整个光控电路对光信号的灵敏度。

5.5 单片机控制电路

单片机最小系统如下图所示：

图3.4 单片机最小系统

P1.6作为光控信号的输入口，P3.4是声控信号的输入端，P1.7是作为输出端，与继电器驱动电路相连。由于没有外部ROM，所以EA与外部电源相接，置高平，直接读取内部ROM本次课设通过单片机来完成延时电路和与电路的功能。

5.6 原理总图

原理图如下所示：

图3.6原理总图

由图可知，声光控节能灯电路声控电路（由声音拾取电路、放大电路、滞回比较器构成），光控电路（电压跟随器），单片机控制电路（由延时电路和逻辑与电路构成），继电器驱动电路及电源电路等部分组成。其中声控电路和光控电路是整个电路的核心部分，作用是将MIC输出的微弱声音信号进行放大，并转换成方波信号。最后通过单片机的比较输出来控制继电器的导通，进而控制灯的亮灭。

6参数计算

6.1电源电路

V则输入端至少为12v，因此选择220V转2V 由于集成稳压器输出端为12

的变压器和7912的集成稳压管。因为本次电路的电流都为毫安级别的，选择最大输出电流为1A的集成稳压管，能完全达到电路要求。

滤波电容一般越大越好，一般选取2200u或1000u，在这里选择1000u的电容；输出端电容一般取一大一小，选取0.1u和100u的电容。

6.2继电器驱动电路

单片机高电平时输出拉电流，大概是0.08-0.16mA ，表明52的输出能力很弱，因此需要加驱动，本次采用UA741构成电压跟随器，提高带负载的能力。继电器选择5V 电压供电，触点电流为1A ，吸合电流电流设为50mA ，将基极电流控制在0.5mA ，故选择三极管的100β=，基极电流所以三极管的集电极电流（负载电流）的额点值要大于50mA ，三极管的集电极-发射极和集电极-基极间的最

大额定值,CBO CEO V V

要大于5V ，即50,100,C I mA β≥=5,5CBO CEO V V V V ≥≥，三极

管9013完全满足要求，参数为集电极-基极击穿电压CBO V

为30 V ，集电极-发射

极击穿电压CEO V

为25 V ，集电极电流为500 mA ，基极电流为50mA ，放大倍数满足要求。

单片机P1.7输出信号为5V 高电平时，三极管导通。继电器驱动电路的输入端为5V ，由图可知，以5V 减去基极与发射极的结电压0.7V ，得到限流电阻上的分压为4.3V ，然后代入R=U/I 公式，4.3V/0.5mA=8.6K 。所以使用8.6K 的限流电阻就可以了。但8.6K 不在四环电阻的系列值里，可以使用8.2K 代替。

此外，UA741的最大输出电流为40mA ，完全可以满足基极电流的输出；继电器在三极管断开的瞬间产生的感应电动势很大，一般为一百伏或几百伏，因此选择反向电压达1000V 的1N4007，能够达到要求。

6.3声控电路

驻极体话筒将声音信号转换为电信号，其大小为几毫伏，话筒使用5V 电源驱动，电阻R2为限流电阻。电阻太大，导致驱动电流太小；电阻太小，导致电流太大，故设定电阻为2K 。

两级直接耦合放大电路放大倍数

12

V V V A A A =；

而

()()1

11

1

1

1411(//)26(2001)

1L V be be e e

R R mv

A r r R I βββ=-=++++（1

L R 为二级的输入电阻）;

()()2

2

2

2

2

2

22226(2001)

1c V be be e e

R mv A r r R I βββ=-=++++ （式4.2）

设定2000V A =，1C I =21C I mA =，23B I mA =，12100ββ== )336B CC V R R R V =+,取0.83B V V =,则635

R R =,又因基极电流比较小，故取

63150,30R K R K

==；

()17130e B be E R R V V I ==-=,取7100

R =；

()11

1200126be E r mV I β=++ =2.8K ，

1L R =()22

2200126be E r mV I β=++=1.5K ；

在输入交流信号时，电容接通，电阻被短接，此时20

e R =；代入（式4.2）得：1211122''''27100(//,//)L L L L C L L C R R K R R R R R R ===，而取15C R K =，则1'

L R =1K ，

2'

L

R =7.1K ，取215C R K =。

三极管采用互补对称的9013与9012完全满足要求。

将其代入电路算得2092

V A =，仿真为700倍左右，经检验实际放大倍数为500左右；因此设计迟滞比较器时，采用实际值。

由于两级放大电路存在噪声，经测量大约为5mV 左右，需要加迟滞比较器，设置合适的阈值电压，将此段噪声滤掉。而经测量声音信号经两级放大后为0.5V

左右，因此将阈值电压设为0.25,0REF V V V ±=，z V =5V

±。因此，在迟滞比较器

的输出端加上5V ±的稳压管，并加上限流电阻16R ，取1K 。设电阻10R

=10K,由式

3.2得：则电阻11R

=200K ，滑动变阻器设为150K ，根据外面声音信号的大小来调节阈值电压的值。

6.4光控电路

将基极电流设为0.1mA ，当有光照射时，()16CC CE B R V V I =-,16R

=50K,与光敏电阻此时的阻值（约为1K 到10K ）相比,光敏电阻可以忽略。选择100K 的滑动变阻器来替代50K ，让基极电流可调，从而控制射级电流和控制光控电路的灵敏度。集电极电阻为限流电阻，取值为22K 。

7 调试与小结

本次设计过程中，遇到了许多问题，但经过调试解决。

在导入pcb的过程中节点的连线和元器件的封装型号等问题都给我们带来了很大的麻烦。在pcb的布局布线过程中器件的位置以及连线的绕行方向都使我们不得不多次返工制作。

继电器驱动部分如果不加负载时，单片机的输出电压为标准的方波，但在输出端（P1.7）加了继电器驱动时，不能带动负载。因此，后来加上了电压跟随器来驱动负载。在光控部分也出现了同样的问题，都加上了电压跟随。光控部分：经过两级放大的声音信号，开始是直接经过过零比较器转变为方波，但由于两级放大存在很大的噪声，导致输出端是一条直线，没有方波出现。后来在过零比较器的输出端加了一个电容，通过改变电容的大小的位置最终实现正常。加深了对运放组成的基本电路的理解，如电压跟随器，电压比较器等。此外，对一些新型器件的使用，如继电器，光敏电阻，驻极体麦克风，也拓展了自己的知识，增加了以后自己使用器件的范围。

Pcb

TR FUSE